Mechanical Properties of Metals

Transcripción

Propiedades físicas y mecánicas
de los materiales – Parte II
Propiedades físicas y mecánicas de
los materiales
2.5. Propiedades mecánicas de los materiales
2.5.1 Tensión y Deformación
2.5.2 Elasticidad
2.5.3 Plasticidad
2.5.4 Ductilidad
2.5.5 Tenacidad y Resiliencia
2.5.6 Dureza
2.5.7 Fluencia
2.5.8 Fatiga
Capítulo 2.5. Propiedades Mecánicas
Definición
Son propiedades del material relacionadas con su
capacidad de transmitir y resistir fuerzas o
deformaciones
Importancia
Elección del material adecuado para cada aplicación o
proyecto
Modelizar el comportamiento observado en la práctica
Determinación
Las propiedades mecánicas generalmente se
determinan mediante ensayos aplicados a
probetas o piezas
Clasificación de los ensayos:
En cuanto
a la
Integridad
– Destructivos: provocan inutilización parcial o total de la
pieza (tracción, dureza, fatiga, fluencia, torsión, flexión,
impacto)
– No destructivos: no comprometen la integridad de la pieza
(rayos X, ultrasonido, líquidos penetrantes, microdureza)
En cuanto
a la
velocidad
– Estáticos: carga aplicada lentamente (tracción, compresión,
flexión, dureza)
– Dinámicos: carga aplicada lentamente o de forma cíclica
(fatiga e impacto)
– Carga constante: carga aplicada durante un largo período
(fluencia)
En un sentido simplista, la tensión se puede pensar como
Carga/Área.
De manera similar, deformación es la variación de longitud
del componente/longitud original.
Una tensión puede ser directa, cortante, o torsional –
producen su correspondiente deformación.
La tensión no se puede medir directamente, pero el
alargamiento que tiene sí.
Tensión: Fuerza por unidad de superficie del sólido
: Tensión (MPa)
F; Fuerza (N)
S: Superficie (mm2)
Unidades: S. I. Pascales (1Pa = 1N/m2). En la práctica:
1 MPa= 1 N/mm2= 10 kp/cm2= 0.1 kp/mm2
Se expresa la carga en Newtons (N) y la Área
en mm2 para obtener la tensión en Mpa.
N
2  MPa
mm
Tipos
(a) Tracción
(b) Compresión
(c) Cizalla
(d) Torsión
Load, P
Load, P
Tensión
L/2
Lo
L/2
P

Ao
Area
Ao

Lo
L
Lo
Deformación
L/2
Area
Ao
L/2
P
Tensión uniaxial - Tracción
P
Tensión uniaxial- Compresión
Ensayo de tracción directa
Se somete el material a una carga de tracción creciente que
promueve una deformación progresiva y aumento de
longitud
• Ensayo de tracción directa
Pinza
Extensómetro
Specimen
Región entre M y F:
•MetalesOcurre el
estrechamiento de la sección
•CerámicaOcurre la
propagación de fisuras
•PolímerosOcurre la
alineación las cadenas
poliméricas que están a punto de
romperse
Stress (=P/Ao)
Elastic limit
E
Strain (=L/Lo)
Región entre M y F:
•MetalesOcurre el estrechamiento de
la sección
•CerámicaOcurre la propagación de
fisuras
•PolímerosOcurre la alineación las
cadenas poliméricas que están a punto
de romperse
• Ensayo de compresión
– Se somete el material a una carga de compresión
creciente que promueve una deformación progresiva de
contracción
2.5.2 Elasticidad
El material vuelve a su configuración inicial
una vez cesa la carga
Deformación elástica es aquella totalmente
recuperable una vez cesa su causa
Está relacionado con la rigidez del material y
con las fuerzas de las ligaciones
interatómicas
1. Inicial
2. Carga
d
F
F
Linealelastica
No-Linealelastica
d
3. Descarga
2.5.2 Elasticidad
Módulo de elasticidad:
Ratio entre la tensión aplicada y la deformación
elástica resultante

F
A
E

L
L0
 F  L0

 A  L
2.5.2 Elasticidad
• Módulo de elasticidad:
– Elástico-lineal (mayoría de los materiales)
• Ley de Hooke: Para materiales elásticos la tensión es
linealmente proporcional a la deformación y
independiente del tiempo.

E
1
F
Elásticolinear
=E

2.5.2 Elasticidad
• Ley de Hooke: Para materiales elásticos la tensión es
linealmente proporcional a la deformación y
independiente del tiempo.
Stress (MPa)
500
CONT INUED
400
300
E
200
100
0
0.000 0.002 0.004
0.006 0.008 0.010
Strain
 (300  0) MPa

2x10 5 MPa
 (0.015  0.0)
2.5.2 Elasticidad
– Elástico-no lineal (Hormigón y muchos
polímeros)
• Módulo tangente  Verificación de tensiones límites
• Módulo secante  Verificación de deformaciones en
servicio
2.5.2 Elasticidad
– Factores que afectan el módulo de elasticidad
• Temperatura
• Porosidad
• Humedad
Temperatura
Módulo de elasticidad
Porosidad
Módulo de elasticidad
2.5.2 Elasticidad
• Coeficiente de Poisson:
– La compresión o tracción de cualquier estructura
cristalina en una única dirección también causa una
deformación en la dirección perpendicular a la de
aplicación de la carga
x
z



y
x
  
z
z
Deformación Lateral
Deformación Longitudinal
Valores de ν:
Sin cambio de volumen = 0.5
Polímero = 0.4
Cerámico = 0.2
Mayoría de Metales=0.25 < ν <
0.35 en la región elástica
2.5.2 Elasticidad
• Módulo de deformación cortante:
2.5.2 Elasticidad
Shear
Strain, 
Shear Stress, 
Shear Stress
• Módulo de deformación cortante:
Shear Strain
dx
tg 
H

G
tg
E
G
21   
2.5.3 Plasticidad
• La deformación plástica
produce cambios en la
estructura interna del material
que no se recupera una vez
cesa la carga. (La deformación
queda permanente)
1. Inicial
2. Carga
σ
d
dplástica delástica
3. Descarga
p lanes
still
sheared
delástica + plástica
F
dplastic
2.5.3 Plasticidad
• La deformación plástica
produce cambios en la
estructura interna del material
que no se recupera una vez
cesa la carga. (La deformación
queda permanente)
Antes de la
deformación
Después de la
deformación
2.5.3 Plasticidad
Elastic Plastic
Elastic Plastic
Sy
Sy
Elastic Plastic
Stress
Sy
0.002
Mayoría Metales - Al, Cu
0.002
Strain
Aleaciones Al
0.002
Acero bajo carbono
2.5.3 Plasticidad
P (,)
  e   p
Tensión

e 
E
 p    e
Deformación Total
Plástica
p
Deformación
e
Elástica
El límite elástico es la
tensión
que produce una
deformación
plástica (permanente)
2.5.3 Plasticidad
Cargando
Recarga
Tensión
Cargando
Descargando
Descargando
Deformación
Deformación
elastic strain
2.5.4 Ductilidad
• Deformación plástica que ocurre hasta el fallo del
material
Elongación
EL% 
L f  Lo
Lo
x 100
Reducción Área
Ao  A f
RA% 
x 100
Ao
Lo
Lf
Ao
Af
2.5.4 Ductilidad
• Ductil x Frágil
Engineering Stress
Dúctil si EL% > 5% (aproximadamente)
Frágil si EL% < 5% (aproximadamente)
Engineering Strain
2.5.4 Ductilidad
• Ductil x Frágil
Dúctil si EL% > 5% (aproximadamente)
Frágil si EL% < 5% (aproximadamente)

%AL reducido
(frágil si %AL<5%)
%AL elevado
(dúctil si %AL>5%)

2.5.4 Ductilidad
• Tensión Real (teniendo en cuenta la reducción de
la sección transversal)
 r  K rn
•K y n son constantes que dependen
del material
Material
Acero con bajo contenido de C
Acero 4340 recocido
Acero inox 304 recocido
Alumínio recocido
Liga de Alumínio 2024 T
Cobre recocido
Latón 70-30 recocido
n
0,26
0,15
0,45
0,2
0,16
0,54
0,49
K (MPa)
530
640
1275
180
690
315
895
Resiliencia: Una medida de la capacidad de una material
para absorber energía sin sufrir una deformación
permanente o plástica. (J/m3 or N.mm/mm3= MPa)
Tenacidad: Una medida de la capacidad de un material
para absorber energía sin romperse. (J/m3 o
N.mm/mm3= MPa)
Engineering Stress, =P/Ao
Resiliencia, Ur
y
X
y
U r    d
o

E

 y y
2
 y2
2E
ey
Engineering Strain,  = DL/Lo)
Engineering Stress, S=P/Ao
Tenacidad, Ut
y
f
U t    d
o

( y   u )  EL % 


2
 100 
Engineering Strain, e = DL/Lo)
Clasificación de los
materiales en función de la
ductilidad

Baja tenacidad (cerámica)
Elevada tenacidad (metales)
Baja tenacidad (polímeros)

2.5.6 Dureza
• Definición:
– Resistencia del material a la deformación plástica
localizada
• La dureza elevada está relacionada con:
– Resistencia a la deformación plástica y fallo por
fisuración
– Mayor resistencia al desgaste
– Mayor resistencia a tracción (Estimación por ensayo
no destructivo)
2.5.6 Dureza
• Ensayos para medir dureza
Penetrador
Dureza
D
d
Medida de la huella
d
2.5.6 Dureza
•
Ensayos para medir dureza
– Rockwell: Se determina un nº de dureza a partir de la
diferencia de profundidad de penetración. Los penetradores
son bolas esféricas de acero endurecido.
– Brinell: se fuerza un penetrador duro esférico en la
superficie del metal a ensayar
– Vickers: se fuerza un penetrador en forma de pirámide de
diamante. La marca resultante se observa al microscopio
Rockwell
Brinell
Vickers
2.5.6 Dureza
• Ensayos para medir dureza
2.5.6 Dureza
• Relación entre dureza y resistencia a tracción
2.5.7 Fluencia
• Deformación lenta y progresiva (creciente) con el paso
del tiempo en materiales sometidos a una tensión
constante
• Se determina a tracción, compresión, cizalla y flexión.
• Los tiempos de ensayo son muy largos.
2.5.7 Fluencia
• Deformación lenta y progresiva (creciente) con el paso
del tiempo en materiales sometidos a una tensión
constante
• Se determina a tracción, compresión, cizalla y flexión.
• Los tiempos de ensayo son muy largos.
Fluencia
tr  a  n
E
Deformación
D
C
B
Deformación
instantánea
A
Fluencia
primaria
V0

E
n
V0 
 A    e RT
t
Fluencia
secundaria
Fluencia
terciaria
Tiempo
2.5.7 Fluencia
• Ensayos para determinar la fluencia
– Método: Medir deformaciones con el tiempo en probetas
en condición de tensión y temperatura constante
– Resultados: Curva tensión-tiempo
– Principales parámetros: V0 y tr
2.5.7 Fluencia
• Factores que afectan la fluencia
– Temperatura
Deformación
Temperatura
Deformación
V0
T4 = 40ºC
T3 = 30º C
T2 = 20ºC
T1 = 10ºC
tr
Tiempo
2.5.7 Fluencia
• Factores que afectan la fluencia
– Temperatura
– Tensión
Deformación
Tensión
Deformación
V0
σ4 = 40 MPa
σ3 = 30 MPa
σ2 = 20 MPa
σ1 = 10 MPa
tr
Tiempo
2.5.8 Fatiga
• Fallo debido a la variación cíclica de tensiones
Aparición de
1ª fisura
Propagación
Cuidado!
Fallo
2.5.8 Fatiga
• Fallo debido a la variación cíclica de tensiones
Período
σmax
σmin
Tiempo
σmin
σmedia
σmax
Δσ
Tensión
2.5.8 Fatiga
• Proceso de fractura
–
–
–
–
–
Deformación plástica
Nacimiento de la fisura (5-10% del tiempo total)
Desarrollo de la fisura y expansión
Fractura rápida
Las fisuras crecen perpendicularmente a la tensión. Solamente
crecen los más agudos.
• Fractura típica a fatiga
– Comienza por la superficie.
– tracción fatiga< tracción estático
2.5.8 Fatiga
• La rotura se produce en dos formas:
– Fatiga por ciclos cortos: La tensión máxima en cualquier
ciclo es mayor a la tensión de plastificación y menor a la
resistencia a tracción estática y el número de ciclos de
carga es menor que 1000.
– Fatiga por ciclos largos: la tensión máxima es inferior a la
tensión de plastificación. Se necesitan 105- 106 ciclos de
carga.
2.5.8 Fatiga
Amplitud de
tensión (Δσ)
k  N
a
Metales ferrosos y
aleaciones
Límite de
fatiga
Resistencia
límite
Mayoría de los
materiales
1
10 100
Vida útil
límite
Número de ciclos
de carga (log N)
2.5.8 Fatiga
Amplitud
de tensión
Límite de
fatiga
Metales ferrosos y
aleaciones
Número de ciclos
de carga (log N)
2.5.8 Fatiga
Amplitud
de tensión
Resistencia
límite
Resistencia
para vida
útil límite
Mayoría de los
materiales
Vida útil para
resistencia
límite
Vida útil
límite
Número de ciclos
de carga (log N)
2.5.8 Fatiga
• Factores que afectan la fatiga:
–
–
–
–
Temperatura
Amplitud de tensiones
Período de los ciclos (Frecuencia)
Efectos de superficie
Con
esquinas
Redondeados
2.5.8 Fatiga
• Mejora la resistencia a fatiga
– Mejora del diseño: Reducir los cambios de sección
bruscos, redondear los contornos
– Mejora de los métodos de elaboración
– Aumento de la resistencia a tracción: mejor aleación
– Endurecimiento superficial
– Inducción de compresión en la superficie
Con
esquinas
Redondeados
Elasticidad – Módulo de elasticidad o Módulo de Young
(MPa)
Resistencia – Plástica, Última, Fractura. Medido como
tensión (MPa)
Ductilidad – Medida de la habilidad de deformar
plásticamente sin fractura - Alargamiento, reducción de
área, Deformación de fractura - (no unidades o mm/mm)
Tenacidad, Resiliencia – Medición de la habilidad para
absorber energía (J/m3).
Dureza - Resistencia a la deformación plástica localizada
(Varias escalas, p.e.; Rockwell, Brinell, Vickers.)
Fluencia- Lenta y progresiva deformación de un material
con el tiempo
Fatiga – Rotura debido a cargas cíclicas

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